一種強度大于1400MPa的鈦合金的制作方法
【專利摘要】本發明屬于金屬材料技術，涉及一種強度大于1400MPa的鈦合金。本發明鈦合金的重量百分比組成為：鉬9％～15％、鐵4％～8％、鋁1％～5％、碳≤0.08％、氮≤0.05％、氫≤0.015％、氧≤0.15％、余量為鈦。本發明的鈦合金具有突出的強度性能，抗拉強度可達到1400MPa以上，并且具有良好的強度-塑性-韌性的匹配。本發明鈦合金在鍛造過程中不易開裂，易于成形，加工成本低，可作為航空用關鍵承力構件，也可在航天、兵器、民用等領域推廣應用，經濟效益顯著。
【專利說明】-種強度大于1400MPa的鈦合金
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬材料技術，涉及一種強度大于HOOMPa的鈦合金。
【背景技術】
[0002] 隨著高超聲速飛行器、無人戰斗機、高隱身高機動飛行器、戰略轟炸機、變體飛機 和新概念武器等新一代武器裝備的跨越式高速發展，研制超高強度鈦合金材料，達到更高 強度、高韌性、損傷容限、高疲勞性能、低成本以及可焊接等優異綜合性能要求，以滿足新一 代武器裝備的輕量化和長壽命的設計和使用目標，需求十分迫切。
[0003] 目前，限制超高強度鈦合金的性能潛力發揮和在新一代武器裝備上應用的主要原 因是超高強度鈦合金隨著強度的不斷提高，塑性、韌性、疲勞性能、損傷容限性能等綜合性 能隨之有不同程度地降低。例如，日本發明的GUM合金，強度達到1800?2000MPa的水平， 但塑性沒有提高，延伸率僅為5 %左右，并且韌性較低。我國探索研究的TB20超高強度鈦合 金其強度也可以達到1350MPa以上，但只能應用于絲材緊固件等小規格半成品中，用于制 造大厚度鍛件時塑性和韌性較低，斷裂韌度只有45 MPaV^左右，從而限制了其進一步推 廣應用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是：提出一種同時滿足強度達到HOOMPa以上和良好綜合性能匹配 的鈦合金。
[0005] 本發明的技術方案是：鈦合金的重量百分比組成為：鑰9%?15%、鐵4%?8%、 鋁1%?5%、碳彡0· 08%、氮彡0· 05%、氫彡0· 015%、氧彡0· 15%、余量為鈦。
[0006] 制備的步驟如下：
[0007] 1、制備電極：根據該合金以下元素的重量百分比：鑰9%?15%、鐵4%?8%、鋁 1 %?5%、余量為鈦，確定原料成分進行混料，混料后，用壓力機壓制成自耗電極；
[0008] 2、第一次真空自耗電弧爐熔煉：將自耗電極裝入真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉 溫度為1850°C?2050°C，在結晶器獲得一次鑄錠；
[0009] 3、第二次真空自耗電弧爐熔煉：由一次鑄錠作為自耗電極進行第二次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度1800°C?200(TC，在結晶器獲得二次鑄錠；
[0010] 4、第三次真空自耗電弧爐熔煉：由二次鑄錠作為自耗電極進行第三次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度為1800°C?2000°C，在結晶器獲得三次鑄錠；
[0011] 5、制備成品鈦合金鑄錠：將三次鑄錠切去冒口和底墊，扒除表面氧化皮，并在頭、 尾進行倒角處理后獲得成品鈦合金鑄錠。
[0012] 本發明的優點是：
[0013] 本發明的鈦合金具有突出的強度性能，抗拉強度可達到HOOMPa以上，屈服強度 可達到1300MPa以上，并且具有良好的強度-塑性-韌性的匹配，其中，延伸率達到6%以 上，斷面收縮率達到10%以上，斷裂韌度達到5Q ~ 75 Mpa該合金在鍛造過程中不易 開裂，易于成形，加工成本低。可作為航空用關鍵承力構件，也可在航天、兵器、民用等領域 推廣應用，經濟效益顯著。
【具體實施方式】
[0014] 下面對本發明做進一步詳細說明。本發明鈦合金的重量百分比組成為：鑰9%? 15%、鐵4%?8%、鋁1 %?5%、碳彡0· 08%、氮彡0· 05%、氫彡0· 015%、氧彡0· 15%、余 量為鈦。
[0015] 制備的步驟如下：
[0016] 1、制備電極：根據該合金以下元素的重量百分比：鑰9%?15%、鐵4%?8%、鋁 1 %?5%、余量為鈦，確定原料成分進行混料，混料后，用壓力機壓制成自耗電極；
[0017] 2、第一次真空自耗電弧爐熔煉：將自耗電極裝入真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉 溫度為1850°C?2050°C，在結晶器獲得一次鑄錠；
[0018] 3、第二次真空自耗電弧爐熔煉：由一次鑄錠作為自耗電極進行第二次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度1800°C?200(TC，在結晶器獲得二次鑄錠；
[0019] 4、第三次真空自耗電弧爐熔煉：由二次鑄錠作為自耗電極進行第三次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度為1800°C?2000°C，在結晶器獲得三次鑄錠；
[0020] 5、制備成品鈦合金鑄錠：將三次鑄錠切去冒口和底墊，扒除表面氧化皮，并在頭、 尾進行倒角處理后獲得成品鈦合金鑄錠。
[0021] 本發明的工作原理是：該合金添加大量的β穩定元素鑰元素和鐵元素，可以起到 很好的固溶強化作用，顯著提高合金強度，并且降低相變點溫度，提高淬透性，增強熱處理 強化效果。該合金中鋁元素的添加不僅起到固溶強化的作用，還可以降低合金密度。因此， 合金經過雙重退火后，具有突出的強度性能和良好的綜合性能匹配。
[0022] 實施例1
[0023] 鈦合金的重量百分比組成為：鑰：12 %、鐵：5 %、鋁：3 %、碳：0. 02 %、氮： 0. 007%、氫：0. 008%、氧：0. 062%，余量為鈦
[0024] 制備的步驟如下：
[0025] 1、制備電極：采用海綿鈦、工業純鋁、Al-Mo中間合金和Fe-Mo中間合金為原料，按 以下重量百分比進行混料：鑰：12%、鐵：5%、鋁：3%、余量為鈦，混料后，用壓力機壓制成 自耗電極；
[0026] 2、第一次真空自耗電弧爐熔煉：將自耗電極裝入真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉 溫度為1850°C?2050°C，在結晶器獲得一次鑄錠；
[0027] 3、第二次真空自耗電弧爐熔煉：由一次鑄錠作為自耗電極進行第二次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度1800°C?200(TC，在結晶器獲得二次鑄錠；
[0028] 4、第三次真空自耗電弧爐熔煉：由二次鑄錠作為自耗電極進行第三次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度為1800°C?2000°C，在結晶器獲得三次鑄錠；
[0029] 5、成品鈦合金鑄錠：將三次鑄錠切去冒口和底墊，扒除表面氧化皮，并在頭、尾進 行倒角處理后獲得成品鈦合金鑄錠；
[0030] 6、將成品鈦合金鑄錠在1050°C、1000°C、980°C、930°C進行四火次開坯，控制道次 變形量在25 %?40 %之間，制成鍛坯；
[0031] 7、將鍛坯在770°C進行四火次改鍛，道次變形量在30 %?50 %之間，最終制成 Φ 1 20mm 棒材。
[0032] 按照國家軍用標準GJB 3763A-2004《鈦及鈦合金熱處理》，對成品棒材采用的熱 處理制度為：780°C /30min，AC+510°C /12h，AC，然后進行性能測試。測得的結果為：抗拉強 度為1550MPa，屈服強度為1498MPa，延伸率為8. 3%，斷面收縮率17. 9%，斷裂韌度心為 63MPaV^。
[0033] 實施例2 :
[0034] 鈦合金的重量百分比組成為：鑰：9%、鐵：8%、鋁：5%、碳：0. 01%、氮：0. 005%、 氫：0. 0017%、氧：0. 074%，余量為鈦。
[0035] 制備的步驟如下：
[0036] 1、制備電極：采用海綿鈦、工業純鋁、純鐵絲、Fe-Mo中間合金為原料，按以下重量 百分比進行混料：鑰：9%、鐵：8%、鋁：5%、余量為鈦，混料后，用壓力機壓制成自耗電極；
[0037] 2、第一次真空自耗電弧爐熔煉：將自耗電極裝入真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉 溫度為1850°C?2050°C，在結晶器獲得一次鑄錠；
[0038] 3、第二次真空自耗電弧爐熔煉：由一次鑄錠作為自耗電極進行第二次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度1800°C?200(TC，在結晶器獲得二次鑄錠；
[0039] 4、第三次真空自耗電弧爐熔煉：由二次鑄錠作為自耗電極進行第三次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度為1800°C?2000°C，在結晶器獲得三次鑄錠；
[0040] 5、成品鈦合金鑄錠：將三次鑄錠切去冒口和底墊，扒除表面氧化皮，并在頭、尾進 行倒角處理后獲得成品鈦合金鑄錠；
[0041] 6、將成品鈦合金鑄錠在1050°C、1000°C、980°C、930°C進行四火次開坯，控制道次 變形量在25 %?40 %之間，制成鍛坯；
[0042] 7、將鍛坯在760°C進行五火次改鍛，道次變形量在30%?50%之間，最終制成 Φ 50mm棒材。
[0043] 按照國家軍用標準GJB 3763A-2004《鈦及鈦合金熱處理》，對成品棒材采用的熱 處理制度為：770°C /30min，AC+500°C /12h，AC，然后進行性能測試。測得的結果為：抗拉強 度為1627MPa，屈服強度為1550MPa，延伸率為6. 3%，斷面收縮率15. 2%，斷裂韌度KrcS 54MPaV^。
[0044] 實施例3 :
[0045] 鈦合金的重量百分比組成為：鑰：15 %、鐵：4 %、鋁：1 %、碳：0. 03 %、氮： 0· 008%、氫：0· 008%、氧：0· 082%，余量為鈦。
[0046] 制備的步驟如下：
[0047] 1、制備電極：采用海綿鈦、Al-Mo中間合金、Fe-Mo中間合金、Ti-Mo中間合金為原 料，按以下重量百分比進行混料：鑰：15%、鐵：4%、鋁：1%、余量為鈦，混料后，用壓力機壓 制成自耗電極；
[0048] 2、第一次真空自耗電弧爐熔煉：將自耗電極裝入真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉 溫度為1850°C?2050°C，在結晶器獲得一次鑄錠；
[0049] 3、第二次真空自耗電弧爐熔煉：由一次鑄錠作為自耗電極進行第二次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度1800°C?200(TC，在結晶器獲得二次鑄錠；
[0050] 4、第三次真空自耗電弧爐熔煉：由二次鑄錠作為自耗電極進行第三次真空自耗電 弧爐熔煉，熔煉溫度為1800°C?2000°C，在結晶器獲得三次鑄錠；
[0051] 5、成品鈦合金鑄錠：將三次鑄錠切去冒口和底墊，扒除表面氧化皮，并在頭、尾進 行倒角處理后獲得成品鈦合金鑄錠；
[0052] 6、將成品鈦合金鑄錠在1070°C、1020°C、980°C、930°C進行三火次開坯，控制道次 變形量在25 %?40 %之間，制成鍛坯；
[0053] 7、將鍛坯在780°C進行三火次改鍛，道次變形量在30 %?50 %之間，最終制成 Φ 150mm 棒材。
[0054] 按照國家軍用標準GJB 3763A-2004《鈦及鈦合金熱處理》，對成品棒材采用的熱 處理制度為：770°C /30min，AC+520°C /12h，AC，然后進行性能測試。測得的結果為：抗拉強 度為145010^，屈服強度為138010^，延伸率為10.3%，斷面收縮率23.6%，斷裂韌度1^為 72 MPa 。
【權利要求】
1. 一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的重量百分比組成為： 鑰9%?15%、鐵4%?8 %、鋁1 %?5%、碳彡0? 08%、氮彡0? 05%、氫彡0? 015%、氧 彡0. 15%、余量為鈦。
2. 根據權利要求1所述的一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的 重量百分比組成為：鑰14%?15%、鐵4%?5%、鋁1%?2%、余量為鈦。
3. 根據權利要求1所述的一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的 重量百分比組成為：鑰13%?14%、鐵5%?6%、鋁2%?3%、余量為鈦。
4. 根據權利要求1所述的一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的 重量百分比組成為：鑰12%?13%、鐵6%?7%、鋁3%?4%、余量為鈦。
5. 根據權利要求1所述的一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的 重量百分比組成為：鑰11%?12%、鐵7%?8%、鋁4%?5%、余量為鈦。
6. 根據權利要求1所述的一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的 重量百分比組成為：鑰10%?11%、鐵7%?8%、鋁4%?5%、余量為鈦。
7. 根據權利要求1所述的一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的 重量百分比組成為：鑰9%?10%、鐵7%?8%、鋁4%?5%、余量為鈦。
8. 根據權利要求1所述的一種強度大于1400MPa的鈦合金，其特征在于：該鈦合金的 重量百分比組成為：鈦合金的重量百分比組成為：鑰：12%、鐵：5%、鋁：3%、余量為鈦。
【文檔編號】C22C14/00GK104498769SQ201410670345
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】王新南, 朱知壽, 商國強, 費躍, 李靜, 祝力偉 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院